基于Fluent的散熱仿真分析在LCD光固化桌面機上的應用

來源：安世亞太

導讀：光固化技術，除了SLA激光掃描和DLP數(shù)字投影，目前形成了一種新的技術，就是利用LCD作為光源的技術，簡單理解就是DLP技術的光源使用LCD來代替。桌面型打印機光源位于下側，通過窗口和離型膜，成型往上拉出。

LCD光固化打印機的優(yōu)點：

• 精度高，可輕易達到平面精度100微米。
• 價格便宜，性價比突出。
• 結構簡單，因為沒有激光振鏡或者投影模塊，容易組裝和維修。
• 樹脂通用，所有DLP類的樹脂或者大部分光固化樹脂理論上都可以兼容。可以同時打印多個零件而不犧牲速度，因為是面成型光源。
  

缺點：需要關鍵部件對405光有很好的選擇性透過，需要經(jīng)得住幾十瓦405LED燈珠的數(shù)小時高強度烘烤，考驗散熱和耐溫性能。因此散熱仿真也是光固化打印機研發(fā)過程中的重點。

接下來，主要基于某款LCD桌面機對燈源區(qū)的溫度進行散熱仿真分析，以期獲得整個下側腔室內(nèi)部溫度分布狀況，為后期產(chǎn)品的設計改進提供參考依據(jù)。

LCD光固化桌面機模型簡化處理
某款LCD桌面級光固化打印機模型（圖2-1），其中上半部分為打印腔室，下半部分腔室主要包括LED燈泡光源區(qū)以及其周圍的電機與風扇。針對該打印機熱仿真需求主要為（1）燈珠內(nèi)腔散熱設計是否合理（2）制冷片外側是否需要加裝水冷。所以重點關注下部腔室的整體散熱系統(tǒng)包括風扇與水冷以及內(nèi)腔下部的散熱片，針對此款LCD打印機，此機型腔體結構流體部分主要進行三部分的仿真計算：

1）內(nèi)腔流場的熱量仿真；
2）流場與周圍固體元件的溫度場仿真；
3）確定正確的半導體元件仿真方案：確定整體散熱情況，是否需要加裝水冷。

對現(xiàn)有設計進行打印平臺下方燈區(qū)內(nèi)腔的散熱性能做評估，112顆LED燈產(chǎn)生大量熱量會燒壞板子和屏幕（工作溫度不能超過60度），大大降低屏幕的使用壽命，為了降低溫度燈珠內(nèi)腔側壁加裝5個半導體制冷片，使用對角風扇形成內(nèi)部循環(huán)。仿真計算首先從得到內(nèi)腔的熱流場開始。

圖2-1 LCD機型整體構造

散熱仿真模型的建立
對LCD燈區(qū)內(nèi)腔模型進行幾何清理，主要保留尺寸較大、對流動有明顯影響的結構以及主要的散熱與受熱部件，如內(nèi)部散熱器、玻璃燈罩、兩層亞克力板、PCB板、風扇等。內(nèi)部為空氣流域，四周壁面簡化為絕熱平面，去掉倒角及螺孔。

圖3-1  燈區(qū)內(nèi)腔散熱及上方屏幕示意圖圖

3-2  腔體流場主計算域

為簡化計算，本部分腔體主計算域不保留上方鋁板及玻璃屏幕、下方的散熱板以及右側的半導體元件。風扇流量為45標準件（45mm*45mm*10mm）0.04kg/m3。燈源內(nèi)腔尺寸：230mm*417mm*55mm。

整個仿真模型是基于仿真軟件Ansys 19.2進行搭建，由于結構復雜，使用四面體劃分網(wǎng)格，在細小結構附近采用小尺寸1mm捕捉曲率變化,模型中最小間隙尺寸為2mm,保證小間隙內(nèi)至少有2層網(wǎng)格。燈區(qū)內(nèi)腔網(wǎng)格總數(shù)為3055362，網(wǎng)格最大畸率為0.8，網(wǎng)格質量良好。

圖3-3 局部放大燈泡熱源

同時對仿真模型進行了如下假設：

1.四周壁面在流場中均按絕熱壁面設置。
2.上部分壁面分別按照鋁薄壁與玻璃薄壁設置，粗略估算上方溫度（距離實際中上方屏幕仍有一段距離）,設置為自然對流。
3.內(nèi)腔側壁的散熱片右側壁面給出不同的傳熱系數(shù)（模擬不同散熱效率下流場情況），近似看成不同導熱能力下的半導體元件即工況設置。
4.下方壁面因與散熱器連接，給一個較大的傳熱系數(shù)，近似模擬為增大散熱面積。
5.燈罩及亞克力板壁面均按照絕熱壁面設置。
6.循環(huán)氣體介質為空氣，密度取1.205kg/m3，粘度為2.593e-5kg/m.s，因為流場域內(nèi)的溫度范圍理論上不會太高，所以先假設空氣的熱傳導系數(shù)為常數(shù)。
7.led燈源不是輻射光源，僅考慮空氣的熱對流，暫不考慮熱輻射，所有熱量加載上表面，功率為3w全部轉化為熱能，燈珠PCB電路板按照鋁基板設置。

圖3-4  熱源施加處示意圖

邊界條件設置：
操作環(huán)境壓力為101325Pa，四周壁面設置為絕熱光滑壁面邊界，上下邊界為自然對流，內(nèi)散熱片右邊界為自然對流。
氣循環(huán)工況流場邊界條件：風扇（2個）絕對靜壓10pa。

工況設置：
內(nèi)腔散熱器右側外壁面設置三種不同的傳熱系數(shù)，近似模擬無半導體情況，加裝散熱片情況以及更高效率下的散熱情況。

表格3-1工況設置

仿真計算結果及分析
結果重點展示速度與溫度云圖，顯示面為XZ中截面（Y=-43.75 mm），上玻璃與鋁板俯視圖。截面見圖4-1。XZ截面 （灰色）位于兩個風扇以及內(nèi)散熱的中心位置，便于觀察內(nèi)腔的流場結果。上部頂板的俯視圖觀察頂部的溫度結果。

圖 4-1中截面位置圖

圖 4-2中截面速度云圖

從中截面的速度云圖看出，對角風扇形成的流場是基本對稱的，內(nèi)腔中間的流速均勻，這樣就達到了使內(nèi)腔的熱量隨著氣體均勻分布其中，對散熱起到了良好的推進作用，由于對流存在，氣體有向散熱片流動的趨勢，由于散熱片的存在，熱量向散熱區(qū)聚攏，散熱設計起到了效果。

由中截面溫度云圖可以看到隨著傳熱系數(shù)的增大，溫度在相同位置得到了下降。而工況一頂面的俯視圖看到，無論是玻璃頂層還是鋁板頂層均遠遠超過了60度，即在不加散熱的情況下，會影響配件的使用壽命，隨著傳熱系數(shù)進一步提升，頂部溫度下降十分明顯。

結論
隨著外側墻壁的導熱率的提高，近似模擬了半導體即散熱系統(tǒng)的存在，對內(nèi)腔的散熱起到了良好的效果，頂部溫度下降明顯。對角風扇的設計合理，使得內(nèi)腔形成均勻流場對散熱起到積極作用。

—作者—
薛一戈
安世亞太流體工程師，伊利諾伊理工機械與航空航天工程專業(yè)，碩士學位，超過2年的汽車行業(yè)CAD設計與CAE仿真，擅長湍流、邊界層、多相流、顆粒物等多個領域的仿真與CFD分析，目前主要參與增材設備的流體仿真分析項目，積累大量3D打印設備流體優(yōu)化經(jīng)驗。